CN111601449B - 真空内超大型四极透镜的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空内超大型四极透镜的制造方法，将四极透镜分解设计成四个磁轭和四个磁极，锻造毛坯，热处理；加工磁轭和磁极，预装配透镜铁芯；再拆解，镀镍；绕制半成品线圈，环氧真空浇注，得线圈；拆解镀镍的四个部分，安装线圈，装配，得四极透镜铁芯；带有散热条的真空管道的一端焊接端盖，四极透镜铁芯两个端面上安装铁芯水冷管；带有散热条的真空管道穿入四极透镜铁芯的中心孔，铁芯水冷管和端盖上的冷却水管相连，焊接另一个端盖；线圈导线出线和端盖上的冷却水管依次穿入过渡段真空管道和真空隔离管道，制得真空内超大型四极透镜。该制造方法将线圈与真空环境隔离开来，不影响真空度，改善和提高了真空内超大型四极透镜的性能。

Description

真空内超大型四极透镜的制造方法

技术领域

本发明属于离子束聚焦电磁透镜---超大型四极透镜的制造新工艺技术领域，涉及一种真空内超大型四极透镜的制造方法。

背景技术

聚焦或散焦四极透镜是粒子加速器磁铁系统中广泛采用的一种磁铁结构。它可以使离子束在通过透镜的四个磁极形成的磁通道时，受到一定的洛伦兹力。在洛伦兹力的作用下，利用四极透镜完成离子束聚焦或散焦的功能。真空内超大型四极透镜放置于真空度1×10^-8Pa的真空环境中，透镜重量超过9000kg，铁芯外形的宽度和高度尺寸均超过1.4米，铁芯由4件磁轭和对应的4件磁极等几部分组成。铁芯的四个磁极上装有4套线圈，共同构成四极透镜，线圈装配在一个隔离真空的无磁性的不锈钢密封结构中，线圈外是真空度为1×10^-8Pa的真空环境，密封结构中的线圈和大气处于连通状态；四极透镜位于大型真空室内，真空室顶部安装冷却线圈用的集流管等部件；线圈引出线部分长达3米以上；透镜底部安装有用于调节高低的底座。

现有技术中对于普通四极透镜的制造很有成效，但针对真空环境中的超大型四极透镜，尤其是要求四极透镜工作在真空状态，线圈的出气率较高，严重影响大型真空室的真空度，需要通过特殊的方法将线圈与真空环境隔离开来；另外对超大型四极透镜来讲，受到重量和体积的限制以及线圈装配的可行性，需要采用特殊的加工工艺和方法。因此，探索一种新型的制造方法，对于保证超大型四极透镜的真空环境和磁场性能相当重要，对提高超大型四极透镜的制造水平也显得非常有意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种真空内超大型四极透镜的制造方法，能够很好地控制铁芯尺寸，将线圈与真空环境隔离开来，不影响真空室的真空度，使磁场性能稳定。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种真空内超大型四极透镜的制造方法，具体按以下步骤进行：

1）将真空内超大型四极透镜中的透镜铁芯分解设计成结构和尺寸完全相同的左上磁轭、下左磁轭、右上磁轭和右下磁轭以及与该四个磁轭相对应的结构和尺寸完全相同的左上磁极、左下磁极、右上磁极和右下磁极；按磁轭和磁极设计图纸的要求，取坯料，锻制成磁轭毛坯和磁极毛坯，并进行热处理；

2）在大型数控加工中心加工热处理后的磁轭毛坯，得四件磁轭，磁轭各装配面的加工精度符合设计要求，各装配面的平面度≤0.03mm；

3）在大型数控加工中心加工热处理后的磁极毛坯，得四件磁极，磁极与磁轭装配面的加工精度符合设计要求，磁极各装配面的平面度≤0.03mm；磁极上圆弧面的面轮廓度≤0.02mm；

4）将一件磁轭与一件磁极用螺钉连接，并打定位销，装配成1/4铁芯；

5）将四个1/4铁芯通过螺栓连接成一个整体，进行透镜铁芯的预装配；

6）装配合格后，再将预装配的透镜铁芯拆解为四个部分，清洗，镀镍；

7）取无氧铜空心导线，绕制四套半成品线圈；检验半成品线圈的绕制尺寸、绝缘性能以及半成品线圈的水流量参数；

9）对检验合格的半成品线圈进行环氧真空浇注，得线圈；

10）分别拆解步骤6）中镀镍后的四个部分；在每个拆卸后磁极上均装配一个线圈，再将带有线圈的拆卸后磁极装配到拆卸后磁轭上，固定线圈，得四个重新装配的1/4铁芯，将该四个重新装配的1/4铁芯通过螺钉相互连成一个整体，整理归拢所有线圈预留的线圈导线出线成束状；真空密封焊接相邻两个拆卸后磁轭连接处的外部接缝，真空密封焊接所有拆卸后磁轭上所有螺钉孔的堵头处，形成具有中心孔的四极透镜铁芯；

11）取带有散热条的真空管道，取第一带冷却水管端盖和第二带冷却水管端盖；将第一带冷却水管端盖真空密封焊接在带有散热条的真空管道的一端，形成组合件；

在四极透镜铁芯的两个端面上均固定安装铁芯水冷管；

将组合件中带有散热条的真空管道穿入四极透镜铁芯的中心孔，然后将线圈导线出线引出一端所在的四极透镜铁芯端面上安装的铁芯水冷管与第一带冷却水管端盖上的冷却水管相连，将成束的线圈导线出线穿过第一带冷却水管端盖上设置的出线管；

之后，将第一带冷却水管端盖与四极透镜铁芯的侧壁贴合，确定好安装位置；取第二带冷却水管端盖，将安装于四极透镜铁芯另一端面上的铁芯水冷管与第二带冷却水管端盖上的冷却水管相连，再将第二带冷却水管端盖真空密封焊接在带有散热条的真空管道的另一端；

12）取过渡段真空管道，过渡段真空管道包括中空的长方体形的管道本体，管道本体的底板上加工有第一开口和第二开口，管道本体的顶板上加工有第三开口；将线圈导线出线的自由端和第一带冷却水管端盖上的冷却水管的自由端穿入第一开口，穿过管道本体，从第三开口伸出过渡段真空管道外，将第二带冷却水管端盖上的冷却水管的自由端穿入第二开口，并从第三开口伸出过渡段真空管道外，伸出过渡段真空管道外的线圈导线出线、第一带冷却水管端盖上的冷却水管以及第二带冷却水管端盖上的冷却水管并拢，形成线管束；下移过渡段真空管道，使第一开口与第一带冷却水管端盖上的出线管对齐，第二开口与第二带冷却水管端盖上的出线管对齐；将烟囱状的真空隔离管道套在该线管束上，并使真空隔离管道的下端与第三开口对齐；

13）真空密封焊接过渡段真空管道和第一带冷却水端盖上的出线管，真空密封焊接过渡段真空管道和第二带冷却水端盖上的出线管，真空密封焊接过渡段真空管道和真空隔离管道；真空隔离管道的另一端安装管道法兰；制得真空内超大型四极透镜。

本发明制造方法采用将线圈与真空环境隔离开来的新工艺制造出的真空内超大型四极透镜，结构稳定性佳、装配简单、便捷、加工精度高、外形尺寸及形状误差小、封装在真空密封结构中的线圈对大型真空室内的真空度没有影响、磁场指标好，改善和提高了真空内超大型四极透镜的性能，是一个非常理想的结果。

附图说明

图1是本发明制造方法需要制作的超大型四极透镜的示意图。

图2是图1的后视图。

图3是本发明制造方法制作的磁轭的示意图。

图4是本发明制造方法制作的磁极的示意图。

图5是本发明制造方法制作的磁轭和磁极组合而成的1/4个铁芯的示意图。

图6是本发明制造方法中预装配的透镜铁芯的示意图。

图7是本发明制造方法制作的四极透镜铁芯的示意图。

图8是本发明制造方法中使用的带有散热条的真空管道的示意图。

图9是本发明制造方法中使用的带冷却水管端盖的示意图。

图10是图9的后视图。

图11是本发明制造方法中使用的过渡段真空管道的示意图。

图12是本发明制造方法中使用的真空隔离管道的示意图。

图中：1.第一带冷却水管端盖，2.过渡段真空管道，3.真空隔离管道，4.四极透镜铁芯，5.管道法兰，6.铁芯水冷管，7.第二带冷却水管端盖；8.透镜孔中心真空管，9.圆弧面，10.线圈导线出线，11.线圈，12.出线管，13.管道本体，14.第一开口，15.第二开口，16.第三开口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种真空内超大型四极透镜的制造方法，制造完成图1和图2所示的现有技术中的真空内超大型四极透镜，该超大型四极透镜满足线圈和真空环境隔离开的要求。该制造方法具体按以下步骤进行：

1）将真空内超大型四极透镜中的透镜铁芯分解设计成左上磁轭、左下磁轭、右上磁轭和右下磁轭以及与该四个磁轭相对应的左上磁极、左下磁极、右上磁极和右下磁极，四个磁轭的结构和尺寸完全相同，四个磁极的结构和尺寸完全相同；按设计图纸中要求的尺寸和材质，取相应材质的坯料，锻制成磁轭毛坯和磁极毛坯，并对磁轭毛坯和磁极毛坯进行热处理；

磁轭和磁极的材质均为导磁材料。根据成形机理，锻造可分为自由锻、模锻、碾环、特殊锻造。该特殊锻造也是一种模锻方式。对导磁材料来说，材料组织均匀、晶粒粗大时材料的矫顽力低，导磁性好，但锻造过程会使材料的晶粒破碎，导致矫顽力增大，所以在锻造后需要采取必要的热处理工艺，使材料晶粒增大，消除各种应力，从而降低材料的矫顽力，提高导磁率，达到提高磁性能的目的。

2）在大型数控加工中心加工热处理后的磁轭毛坯，得到图3所示的四件磁轭，保证磁轭上各装配面的加工精度符合设计要求，各装配面的平面度≤0.03mm；

3）在大型数控加工中心加工热处理后的磁极毛坯，得图4所示的四件磁极，保证磁极与磁轭装配面的加工精度符合设计要求，磁极各装配面的平面度≤0.03mm；保证磁极上圆弧面9的面轮廓度≤0.02mm；

4）将一件磁轭与一件磁极用螺钉连接，并打定位销，保证装配复位精度，装配成图5所示的1/4铁芯；

5）将装配好的四个1/4铁芯利用磁轭上预留的螺孔用螺钉相互连接成一个整体，进行透镜铁芯的预装配，形成图6所示的完整的透镜铁芯；透镜铁芯预装配时，保证关键部位的装配精度，检测和调整透镜的孔径尺寸和磁极间隙的尺寸精度；

6）装配合格后，再将预装配的透镜铁芯拆解为四个部分（即磁轭和磁极组合），清洗该四个部分的表面，然后镀镍，防止生锈；

7）取外形是正长方体形、中心带圆形水冷孔的TU1无氧铜空心导线；

检查该空心导线内孔的通畅性：首先将压缩空气通入导线的内孔，把该内孔中存在的杂物等吹干净；再对铜导线做钢球通过实验，即将直径为空心导线内径90%的钢球从空心导线的一端送入空心导线的内孔，用压缩空气将该钢球从空心导线的另一端吹出；

接着，清理空心导线表面可能影响线圈绝缘性能的毛刺等；再用工业酒精擦洗铜导线表面，去除油污、粉末等残留物；

8）在加工好的线圈绕线模具上，按照规定的绕制方法绕制四套半成品线圈；检验半成品线圈的绕制尺寸、绝缘性能以及半成品线圈的水流量等参数符合要求；

9）按照规定的程序，对检验合格的半成品线圈进行环氧真空浇注，得线圈11，须保证线圈11绝缘性能良好；

10）分别拆解步骤6）中镀镍后的四个部分，即将磁极从磁轭上拆卸下来，形成拆卸后磁轭和拆卸后磁极；在每个拆卸后磁极上均装配一个线圈11，再将带有线圈11的拆卸后磁极装配到拆卸后磁轭上，固定线圈11，并利用步骤4）中的定位销的定位功能保证拆卸后磁极与拆卸后磁轭之间的装配精度，得四个重新装配的1/4铁芯，将该四个重新装配的1/4铁芯通过螺钉相互连成一个整体，整理归拢所有线圈11预留的线圈导线出线10成束状；真空密封焊接相邻两个拆卸后磁轭连接处的外部接缝，真空密封焊接所有拆卸后磁轭上所有螺钉孔的堵头处，形成图7所示的四极透镜铁芯4；四极透镜铁芯4的中心具有中心孔；

11）取图8所示的带有散热条的真空管道，取两个图9和图10所示的带冷却水管端盖，其中一个带冷却水管端盖为第一带冷却水管端盖将1，另一个为第二带冷却水管端盖7；将第一带冷却水管端盖1真空密封焊接在带有散热条的真空管道的一端，形成组合件；

在四极透镜铁芯4的两个端面上均固定安装用于冷却四极透镜铁芯4的铁芯水冷管6，成束的线圈导线出线10从四极透镜铁芯4的一端引出；

将组合件中带有散热条的真空管道穿入四极透镜铁芯4的中心孔，然后将线圈导线出线10引出一端所在的四极透镜铁芯4端面上安装的铁芯水冷管6与第一带冷却水管端盖1上的冷却水管相连，将成束的线圈导线出线10穿过第一带冷却水管端盖1上设置的出线管12；

之后，将第一带冷却水管端盖1与四极透镜铁芯4的侧壁贴合，确定好安装位置（第一带冷却水管端盖1与四极透镜铁芯4的安装位置）；取第二带冷却水管端盖7，将安装于四极透镜铁芯4另一端面上的铁芯水冷管6与第二带冷却水管端盖7上的冷却水管相连，接着，将第二带冷却水管端盖7真空密封焊接在带有散热条的真空管道的另一端；带有散热条的真空管道的中心孔、第一带冷却水管端盖1的中心孔与第二带冷却水管端盖7的中心孔连通，形成透镜孔中心真空管8；

12）取图11所示的过渡段真空管道2，过渡段真空管道2包括中空的长方体形的管道本体13，管道本体13的底板上加工有第一开口14和第二开口15，管道本体13的顶板上加工有第三开口16；将线圈导线出线10的自由端和第一带冷却水管端盖1上的冷却水管的自由端穿入第一开口14，穿过管道本体13，从第三开口16伸出过渡段真空管道2外，将第二带冷却水管端盖7上的冷却水管的自由端穿入第二开口15，并从第三开口16伸出过渡段真空管道2外，伸出过渡段真空管道2外的线圈导线出线10、第一带冷却水管端盖1上的冷却水管以及第二带冷却水管端盖7上的冷却水管并拢，形成线管束；下移过渡段真空管道2，使第一开口14与第一带冷却水管端盖1上的出线管12对齐，第二开口15与第二带冷却水管端盖7上的出线管12对齐；将图12所示的烟囱状的真空隔离管道3套在该线管束上，并使真空隔离管道3的下端与第三开口16对齐；

13）真空密封焊接过渡段真空管道2和第一带冷却水端盖1上的出线管12，真空密封焊接过渡段真空管道2和第二带冷却水端盖1上的出线管12，真空密封焊接过渡段真空管道2和真空隔离管道3；真空隔离管道3的另一端安装管道法兰5；制得真空内超大型四极透镜。

制造完成的真空内超大型四极透镜需进行真空检测和磁场测量：

1）对真空内超大型四极透镜中装有线圈11的真空密封部分进行氦质谱真空检漏，真空度1×10^-8Pa，真空漏率不大于1×10^-9Pa.L/s；

2）对氦质谱真空检漏合格的真空内超大型四极透镜进行磁场测量，保证磁场性能满足要求。

真空检漏和磁场测量合格的真空内超大型四极透镜可以安装使用。使用时，将其整体安装于大型真空室内，将管道法兰5与真空室连接；然后，对安装有四极透镜的大型真空室进行氦质谱真空检漏，真空度1×10^-8Pa，真空漏率不大于1×10^-9Pa.L/s。

带有散热条的真空管道、第一带冷却水管端盖1、第二带冷却水管端盖7、过渡段真空管道2和真空隔离管道3构成了密封隔离部分，线圈11和线圈导线出线10位于该密封隔离部分内，使得线圈11完全处于大气状态，而线圈11与大型真空室内的真空环境彻底隔离。

通往大型真空室外的线圈导线出线10通过真空隔离管道3引到大型真空室外。

本发明制造方法将四极透镜铁芯4分为四分结构，有利于四极透镜的加工和整体装配，磁轭与磁极采用螺钉连接，圆锥销定位，保证二次拆卸后的装配精度。

带有散热条的真空管道、第一带冷却水管端盖1、第二带冷却水管端盖7、过渡段真空管道2和真空隔离管道3均采用不锈钢制成。

完成环氧真空浇注后的线圈11封装在真空密封结构中，该密封结构由分别位于透镜孔中心带有散热条的真空管道、第一带冷却水管端盖1、第二带冷却水管端盖7、过渡段真空管道2和真空隔离管道3五大部分组成，全部采用真空密封焊接结构。

Claims (1)

1.一种真空内超大型四极透镜的制造方法，其特征在于，该制造方法具体按以下步骤进行：

1）将真空内超大型四极透镜中的透镜铁芯分解设计成结构和尺寸完全相同的左上磁轭、下左磁轭、右上磁轭和右下磁轭以及与该四个磁轭相对应的结构和尺寸完全相同的左上磁极、左下磁极、右上磁极和右下磁极；按磁轭和磁极设计图纸的要求，取坯料，锻制成磁轭毛坯和磁极毛坯，并进行热处理；

坯料的材质为导磁材料；

2）在大型数控加工中心加工热处理后的磁轭毛坯，得四件磁轭，磁轭各装配面的加工精度符合设计要求，各装配面的平面度≤0.03mm；

3）在大型数控加工中心加工热处理后的磁极毛坯，得四件磁极，磁极与磁轭装配面的加工精度符合设计要求，磁极各装配面的平面度≤0.03mm；磁极上圆弧面（9）的面轮廓度≤0.02mm；

4）将一件磁轭与一件磁极用螺钉连接，并打定位销，装配成1/4铁芯；

5）将四个1/4铁芯通过螺栓连接成一个整体，进行透镜铁芯的预装配；

透镜铁芯预装配时，保证关键部位的装配精度，检测和调整透镜的孔径尺寸和磁极间隙的尺寸精度；

6）装配合格后，再将预装配的透镜铁芯拆解为四个部分，清洗，镀镍；

7）取无氧铜空心导线，绕制四套半成品线圈；检验半成品线圈的绕制尺寸、绝缘性能以及半成品线圈的水流量参数；

9）对检验合格的半成品线圈进行环氧真空浇注，得线圈（11）；

10）分别拆解步骤6）中镀镍后的四个部分；在每个拆卸后磁极上均装配一个线圈（11），再将带有线圈（11）的拆卸后磁极装配到拆卸后磁轭上，固定线圈（11），得四个重新装配的1/4铁芯，将该四个重新装配的1/4铁芯通过螺钉相互连成一个整体，整理归拢所有线圈（11）预留的线圈导线出线（10）成束状；真空密封焊接相邻两个拆卸后磁轭连接处的外部接缝，真空密封焊接所有拆卸后磁轭上所有螺钉孔的堵头处，形成具有中心孔的四极透镜铁芯（4）；

11）取带有散热条的真空管道，取第一带冷却水管端盖（1）和第二带冷却水管端盖（7）；将第一带冷却水管端盖（1）真空密封焊接在带有散热条的真空管道的一端，形成组合件；

在四极透镜铁芯（4）的两个端面上均固定安装铁芯水冷管（6）；

将组合件中带有散热条的真空管道穿入四极透镜铁芯（4）的中心孔，然后将线圈导线出线（10）引出一端所在的四极透镜铁芯（4）端面上安装的铁芯水冷管（6）与第一带冷却水管端盖（1）上的冷却水管相连，将成束的线圈导线出线（10）穿过第一带冷却水管端盖（1）上设置的出线管（12）；

之后，将第一带冷却水管端盖（1）与四极透镜铁芯（4）的侧壁贴合，确定好安装位置；取第二带冷却水管端盖（7），将安装于四极透镜铁芯（4）另一端面上的铁芯水冷管（6）与第二带冷却水管端盖（7）上的冷却水管相连，再将第二带冷却水管端盖（7）真空密封焊接在带有散热条的真空管道的另一端；

带有散热条的真空管道的中心孔、第一带冷却水管端盖（1）的中心孔与第二带冷却水管端盖（7）的中心孔连通，形成透镜孔中心真空管（8）；

12）取过渡段真空管道（2），过渡段真空管道（2）包括中空的长方体形的管道本体（13），管道本体（13）的底板上加工有第一开口（14）和第二开口（15），管道本体（13）的顶板上加工有第三开口（16）；将线圈导线出线（10）的自由端和第一带冷却水管端盖（1）上的冷却水管的自由端穿入第一开口（14），穿过管道本体（13），从第三开口（16）伸出过渡段真空管道（2）外，将第二带冷却水管端盖（7）上的冷却水管的自由端穿入第二开口（15），并从第三开口（16）伸出过渡段真空管道（2）外，伸出过渡段真空管道（2）外的线圈导线出线（10）、第一带冷却水管端盖（1）上的冷却水管以及第二带冷却水管端盖（7）上的冷却水管并拢，形成线管束；下移过渡段真空管道（2），使第一开口（14）与第一带冷却水管端盖（1）上的出线管（12）对齐，第二开口（15）与第二带冷却水管端盖（7）上的出线管（12）对齐；将烟囱状的真空隔离管道（3）套在该线管束上，并使真空隔离管道（3）的下端与第三开口（16）对齐；

13）真空密封焊接过渡段真空管道（2）和第一带冷却水端盖（1）上的出线管（12），真空密封焊接过渡段真空管道（2）和第二带冷却水端盖（1）上的出线管（12），真空密封焊接过渡段真空管道（2）和真空隔离管道（3）；真空隔离管道（3）的另一端安装管道法兰（5）；带有散热条的真空管道、第一带冷却水管端盖（1）、第二带冷却水管端盖（7）、过渡段真空管道（2）和真空隔离管道（3）构成了密封隔离部分，线圈（11）和线圈导线出线（10）位于该密封隔离部分内，使得线圈（11）完全处于大气状态，制得真空内超大型四极透镜；

使用时，线圈（11）与大型真空室内的真空环境彻底隔离。

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